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第四章变频器的组成及其设计 山东大学控制科学与工程学院 1 引言 变频器的设计是一个综合运用多学科知识 解决系统性能指标及可靠性问题的过程 涉及的知识面较广 其设计理论涉及电机学 计算机技术 测试技术 数字电路 电力电子技术 自动控制理论 检测技术 热力学 机械结构设计等多个学科 因此它的设计也是一个复杂的系统工程问题 2 4变频器的组成及其设计 本章提要交 直 交PWM变频器的基本结构及作用变频器常用电力电子开关器件开关管缓冲电路设计变频器设计方法变频器散热系统设计 3 4 1交 直 交PWM变频器的基本结构及作用 变频器的类型也很多 其内部结构也各有不同 本节将以电压型通用变频器为例 介绍一下变频器的基本结构以及各部分的功能和作用 交 直 交PWM变频器都具有类似图4 1所示的基本结构 4 通用变频器基本结构 5 一 变频器主电路的构成 变频器的主电路是功率变换的执行机构 相当于是负责承重和出力的 骨骼和肌肉 变频器的主电路 整流电路 直流滤波电路 逆变电路 辅助电路 6 整流电路 阻容吸收电路 用作过压保护 吸收操作过电压和浪涌电压 交流输入侧并联RC阻容吸收电路 星接或角接 或并联集成压敏电阻抑制来自三相电网的浪涌电压 小功率 10kVA以下 变频器的整流电路通常只用一个六单元整流模块组成 几十kVA的变频器通常用三个两单元二极管模块组成整流电路 上百kVA的变频器通常用多组两单元二极管模块并联组成电路 如Fuji公司生产的FRN110G11 4CE型160kVA变频器整流电路由九个两单元二极管模块DD100HB160组成 每一个桥臂由三个模块并联而成 在通用变频器中整流电路常常采用全桥式二极管不控整流电路 7 直流滤波电路 滤波元件 一般用大容量铝电解电容 如Fuji公司的FRN110G11 4CE型变频器的滤波回路由六只400V 1000 F电解电容三三并联后再串联组成 作用 首先是对整流器输出电压滤波 其次是吸收来自逆变电路由于元件换向或负载变化等原因而产生的纹波电压和电流 8 逆变电路 逆变部分可采用SCR GTR GTO MOSFET IGBT IPM IGCT等器件 缓冲电路 与逆变电路的功率开关元件并联 用以吸收元件关断时的关断浪涌电压 缓冲电路一般由电阻 电容 二极管组成 快速熔断器 它只能直接保护由二极管或晶闸管组成的整流模块 而对由MOSFET或IGBT等全控型器件组成的逆变电路没有直接保护作用 9 变频调速异步电动机的制动控制 可以通过降低变频器输出频率来降低电动机的同步转速 达到使电动机减速的目的 在电动机的减速过程中 由于同步转速往往会低于电动机的实际转速 这时异步电动机便成为异步发电机 负载机械和电动机所具有的机械能量被馈还给电动机 并在电动机中产生制动力矩 制动电路 10 制动电路 容量大于18kVA的变频器 不再内装制动单元和制动电阻 需要时必须外接制动单元和制动电阻 利用电阻和开关器件组成放电回路 小容量 0 57 13kVA 变频器 一般内装制动单元和制动电阻 如果内装制动电阻的热容量不够 则需要再外加制动电阻 对于大 中容量的电压型变频器来说 为了节约能源 一般采用能量回馈有源逆变装置将能量馈还给供电电源 11 二 变频器控制电路的基本构成及作用 12 主控制电路 主控制电路的核心是一个高性能的微处理器 并配以EPROM RAM ASIC芯片和其它必要的辅助电路 主控制电路的硬件相当于变频器的 大脑 控制策略和软件则相当于变频器的 灵魂 功能 输入信号处理 加减速速率调节 电机控制运算 PWM波形的生成 变频器大部分都带有网络接口 具有与其他设备通信的能力 13 保护电路 保护电路是变频器安全可靠运行的 生命线 其主要作用是根据检测电路得到的各种信号来判断变频器本身或系统是否异常 瞬时过电流保护 变频器输出电流过大 有可能超过主电路开关器件的容许值 变频器将关断开关器件并停止输出 过电流保护的电流峰值通常设为变频器额定电流的200 14 保护电路 2 与瞬时过电流保护是两个相关而又完全不同的概念 过载保护是逆变器输出电流超过额定值且维持流通达规定的时间 即 时间长 过电流幅值小 体现发热的概念 过电流保护是 瞬间电流幅值大 体现过电流峰值而没有时间的概念 对地短路保护 过载保护 电子热继电器 当检测出变频器输出电路对地短路 如电机绕组绝缘受损 并且短路电流超过变频器额定输出电流的50 时 该保护功能将起作用 停止变频器的输出 15 保护电路 3 过电压保护 若变频器直流侧电压超过一定值 有可能击穿滤波电容或电力半导体器件 严重时甚至可能殃及变频器周围设备和操作人员 过电压保护和过电流保护有相似之处 需要根据过电压的程度分别处理 当减速时间设置过短时 容易发生过电压保护 可以适当延长制动时间避免大惯量负载制动时可能出现的过电压 16 当变频器的供电电压降低时 直流中间电路的电压将会下降 从而使变频器输出电压过低 并造成电动机输出转矩不足和过热 而欠电压保护功能的作用就是 在检测到直流中间电路的电压过低时使变频器停止工作 欠电压保护 保护电路 4 17 保护电路 5 6 散热器过热保护 热敏继电器将动作 使变频器停止工作或给出警报信号 7 控制电路异常保护 当变频器在自检过程中或工作过程中检测到控制电路异常 保护电路将起作用 并停止变频器输出 以免造成主电路损坏和给系统带来更大的破坏 18 检测电路 直流电压检测电路电流检测电路输出电压检测电路输出电流检测电路温度检测电路速度检测电路 霍尔元件 光电编码器 检测电路相当于是变频器的 视觉和触觉 19 外部接口电路 1 控制指令输入电路 2 频率指令输入电路 3 监控信号输出电路 4 网络通讯接口电路 数字操作面板 数字操作面板的作用主要是给用户提供一个良好的人机界面 使变频器及控制系统的操作和故障检测等工作变得更加简单 20 三 驱动电路 驱动电路是驱动主电路开关元件的电路 它是控制电路与主电路联系的 桥梁和媒介 它将控制电路送往主电路开关元件的驱动信号放大 隔离后 控制主电路开关元件的通断 21 信号隔离是个关键问题 隔离的手段主要有三种 传统的电力电子器件的驱动方法是采用脉冲变压器 但是脉冲变压器存在一定的漏感 使输出脉冲陡度受到限制 高性能的数字光耦抗共模干扰能力极强 可以有效地抑制来自功率电路的干扰信号 其次 光耦的隔离电压很高 脉冲变压器 光电耦合器 光纤 在高压变频器中使用 22 控制电源是控制电路和驱动电路的 心脏 为控制电路和驱动电路提供能源 因而是变频器中的关键环节之一 线性电源指用于电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的一种直流稳压电源 开关电源利用高频开关器件并通过变换技术而制成的高频开关直流电源 简称开关电源 用于电压调整功能的器件始终以开关方式工作 四 控制电源 23 24 4 2变频器常用电力电子开关器件 IGBTIGCT IGBT IPM 已经全面取代了GTR成为通用变频器逆变电路的主流开关器件 而综合了IGBT和GTO优点的IGCT则在与IGBT在高压领域的竞争中占了上风 25 一 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 具有工作速度快 输入阻抗高 驱动电路简单的优点 又包含了GTR的载流量大 阻断电压高等多项优点 智能型IGBT功率模块 IPM 内部集成了驱动和保护电路 使用更方便 体积更小 可靠性更高 26 IGBT的驱动和保护 1 驱动参数要求IGBT的栅电容较大 所以要提高其开关速度 就要有合适的栅极正反向偏置电压和栅极串联电阻 1 栅极电压任何情况下 开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值 一般为20V 最佳栅极正向偏置电压为15V 10 虽然栅极电压为零就可使IGBT处于截止状态 但为了减小关断时间 提高IGBT的耐压 dv dt耐量和抗干扰能力 一般在使IGBT处于阻断状态时 可在栅极加一个 5V 15V的反向电压 27 IGBT的驱动和保护 2 栅极串联电阻RG选择合适的栅极串联电阻RG对IGBT的驱动相当重要 RG太小会使栅极电压产生振荡 同时会使IGBT的dv dt耐量减小 具体选择RG时 要参考器件的使用手册 3 驱动功率的要求IGBT的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗 28 栅极驱动电路的基本形式 栅极驱动电路分为直接驱动 变压器隔离式和光耦隔离式三种形式 如图4 11所示 29 IGBT集成驱动器 为了减小体积 降低噪音 改善驱动性能 实现快速保护 现在已经有一系列的IGBT集成驱动器用于各种IGBT模块 常用的集成驱动器有富士公司的EXB840 841 850 851系列 IR公司的IR2100系列 Motorola公司的MC35153 Unitrode公司的UC 705 715 HR065 M57957 M57963系列等等 30 IGBT的保护 主要包括dv dt保护 过流保护 包括短路保护 热保护和非工作状态保护等 1 dv dt保护IGBT的C E之间能承受的电压上升率dv dt是有限的 为了保证dv dt产生的位移电流不至于使IGBT误导通 有必要限制C E之间的dv dt 保护措施 加缓冲电路 31 IGBT的保护 2 过流和负载短路保护当IGBT集电极或负载短路时 由其输出特性可知 其饱和压降会显著上升 通过检测IGBT的导通压降就可以判定它是否过流和短路 如果过流 首先削弱驱动约8 10 s 再加反向驱动电压 关断IGBT 以免因产生过高的dv dt和浪涌电压导致IGBT关断失败而造成损坏 32 IGBT的保护 3 非工作状态保护由于IGBT的栅极是薄的绝缘栅 在运输 贮存 测量 装焊等方面都应采取相应的保护措施 在任何时候都要小心 防止栅极静电击穿 IGBT模块在出厂时一般都在控制极与发射极上装有导电泡沫塑料或粘有导电铜箔 要一直保留到往栅极上压线或进行无静电焊线时再拿下来 33 二 智能功率模块 IPM 特点 保护功能齐全 使用方便1 开关速度快2 低功耗3 快速过流保护4 过热保护5 桥臂对管互锁保护6 优化的栅极驱动电路和保护电路7 驱动电源欠压保护 34 三 集成门极换流晶闸管IGCT的性能和应用 90年代中期 ABB公司通过优化GTO门极驱动单元和器件外壳设计 采用集成门极等技术 大大降低了门极驱动回路中的电感 并采用负门极电流上升率的方法来缩短贮存时间 这就是所谓的GTO 硬驱动 技术 从而产生了新型功率器件 集成门极换流晶闸管IntegratedGate CommutatedThyristor IGCT 它将门极换流晶闸管通过印刷电路板与门极驱动装置连成一个整体 它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降 而且有与IGBT相同的开关性能 即它综合了GTO和IGBT两者的优点 35 36 37 应用 目前 IGBT和IGCT占领了大功率器件的应用领域 就功率装置的电流和电压而言 这两种器件具有很大的互补性 在实际应用中 电压较低时选用IGBT 电压较高时选用IGCT 根据应用和设计的标准不同 在1800 3300V之间 两种器件交叉使用 IGBT较适于功率较小的装置 而IGCT则更适用于功率较大的装置 38 4 3变频器设计方法 39 4 3变频器设计方法 一 变频调速系统设计的一般性方法 1 控制系统总体方案设计 明确系统的总体要求 2 设计主电路拓扑结构 选定逆变器件类型 3 确定控制策略和控制方式 4 选择主控制芯片 5 选择各物理量的传感器和检测电路 6 系统硬件设计 软件设计 40 1 选择主电路拓扑结构 1 普通三相变频器通常也称为二电平变频器 即第二章中所讲的交 直 交型变频器 这种拓扑结构比较简单 为了获得大功率可采用器件的串并联的方法来实现 根据系统容量的大小以及实际要求选择合理的变频调速系统主电路拓扑结构 41 1 选择主电路拓扑结构 2 交 交变频电路主要用于500kW或1000kW以上的大功率 低转速的交流调速电路中 3 高 低 高电路这是高压变频器的典型结构之一 42 1 选择主电路拓扑结构 4 直接高压变频调速在高压大功率的场合 采用三电平技术直接获得高压输出 或采用多重化技术将多个低压逆变桥并联 串联起来获得大电流 高电压 再加上一定的相移 可得到接近正弦的电压输出 43 44 2 确定控制系统方案 确定控制系统方案根据系统的要求 首先确定系统是通用型的 还是高性能的 还是有特殊要求的 其次要确定系统的控制策略 是采用U f控制 矢量控制 还是采用直接转矩控制等 第三要确定是采用单机控制系统还是主从控制系统等 45 3 选择传感器和检测电路 在确定总体方案时 必须首先选择好传感器和检测电路 它是影响控制精度的重要因素之一 主要测量电压 电流 温度 速度等物理量 4 选择CPU和输入 输出通道及外围设备5 画出整个系统原理图 46 二 变频器主电路设计 整流器输出接滤波电容 稳定工作时流过变压器副边的相电流如图4 24所示 整流二极管 VD1 VD6 的选择 通过三相整流桥的每个整流二极管的电流波形近似为方波 如图4 25所示 则流过二极管的电流有效值为 47 二 变频器主电路设计 故二极管的电流定额值为 二极管的耐压 式中 U2lm 整流器输入线电压峰值 48 二 变频器主电路设计 平滑滤波电容 C 的选择考虑电解电容用作滤波时 和负载的等效电阻的乘积 时间常数 应远远大于三相整流桥输出电压的脉动周期T 0 0033s 即为3 3ms 则 其中Rf为负载等效电阻 49 二 变频器主电路设计 考虑将用作吸收异步电动机的回馈能量时 其容量只能按能量关系来近似估计 电动机骤停时 机械储能与漏感储能之和等于电容上的储能 即设过压系数K u1 u0 K 1 则 上式表明 当电压泵升值一定时 负载侧储能越大 滤波电容的容量也越大 而当储能一定时 泵升电压值越低 K越小 所需的电容量也就越大 50 二 变频器主电路设计 51 二 变频器主电路设计 IGBT VT1 VT6 的选择 1 要根据负载的最严重情况选择IGBT 如要适当考虑异步电动机的启动电流 要考虑交流电流的峰值 因此 通过IGBT的集电极电流 2 IGBT的耐压Uceo至少应为实际承担的最大峰值电压的1 2倍以上 即 52 二 11 2kVA变频器设计举例 某双面铣组合机床的机械滑台 由原来的齿轮变速改造成变频调速 要求速度变化范围为16 750r min 以满足工作进给和快速返回的加工工艺要求 试设计变频器 已知被控对象的原始数据 异步电动机型号 Y132M2 6额定功率 5 5kW额定电压 380V额定电流 12 6A额定转速 960r min系统能提供2倍的额定转矩 53 设计步骤 决定变频器的工作方式由设计要求可知 调速范围为1 47 低速性能要求高 故选用双极性IGBT SPWM工作方式 设计变频器的主电路由于采用双极性IGBT SPWM变频器 变频器的主电路如图2 18所示 54 变频器的功率开关管的计算 1 计算通过IGBT的峰值电流ImIm由系统工作的最严重情况决定 由题意要求可知 系统要具有2倍额定电流的电磁